JP2014110144A - Connection structure of oxide superconductive conductor and superconductive apparatus provided therewith - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化物超電導導体の接続構造及びそれを備えた超電導機器に関する。 The present invention relates to an oxide superconducting conductor connection structure and a superconducting device including the same.
RE−123系の酸化物超電導体(REBa2Cu3O7−X:REはYを含む希土類元素)を線材に加工して電力供給用の超電導導体あるいは超電導コイルを提供することが要望されている。酸化物超電導導体の一例構造として、金属テープ基材の表面にイオンビームアシスト蒸着法(IBAD法)により結晶配向性の良好な中間層を形成し、該中間層上に成膜法により酸化物超電導層を形成し、その表面にAgの保護層とCuの安定化層を積層した構造の酸化物超電導導体が開発されている。 It is desired to provide a superconducting conductor or a superconducting coil for power supply by processing a RE-123 series oxide superconductor (REBa 2 Cu 3 O 7-X : RE is a rare earth element including Y) into a wire. Yes. As an example of the structure of an oxide superconductor, an intermediate layer with good crystal orientation is formed on the surface of a metal tape substrate by ion beam assisted vapor deposition (IBAD method), and the oxide superconductor is formed on the intermediate layer by film formation. An oxide superconductor having a structure in which a layer is formed and an Ag protective layer and a Cu stabilizing layer are laminated on the surface has been developed.
従来一般的なRE123系の酸化物超電導導体は、酸化物超電導層上に薄いAgの保護層を形成し、その上にCuからなる厚い安定化層を設けた構造が採用されている。前記Agの保護層は、酸化物超電導層を酸素熱処理する際、酸素量の変動を調節する目的のためにも設けられており、Cuの安定化層は、酸化物超電導層が超電導状態から常電導状態に遷移しようとしたとき、該酸化物超電導層の電流を転流させるバイパスとして機能させるために設けられている。 A conventional RE123-based oxide superconducting conductor employs a structure in which a thin Ag protective layer is formed on an oxide superconducting layer and a thick stabilization layer made of Cu is formed thereon. The protective layer of Ag is also provided for the purpose of adjusting fluctuations in the amount of oxygen when the oxide superconducting layer is subjected to oxygen heat treatment, and the Cu stabilizing layer is normally used when the oxide superconducting layer is in a superconducting state. It is provided in order to function as a bypass for commutating the current of the oxide superconducting layer when attempting to transition to the conductive state.
ところで、このような超電導導体を実用機器に応用するために、超電導導体を接続する技術が研究されている。
RE123系の酸化物超電導導体同士を接続する場合、前記のようにテープ基材の片面側に酸化物超電導層を形成しているため、酸化物超電導層同士を向い合せて半田付け等により接続する必要がある。
酸化物超電導導体同士を接続するための方法と接続装置の一例として、平板状の酸化物超電導導体の端部同士を重ね合わせてその間に半田材料を挟み込み、上下から加圧し、加熱することができる一対の加圧加熱板を備えた接続装置が知られている(特許文献1参照)。
この接続装置は、加圧加熱板の両側にクランプ機構を備え、クランプ機構により仮保持した酸化物超電導導体の端部同士を加圧加熱板により挟み込み、半田材料を溶融し凝固させて突き合わせた酸化物超電導導体の端部同士を半田付けすることができる装置として提供されている。
By the way, in order to apply such a superconducting conductor to a practical device, a technique for connecting the superconducting conductor has been studied.
When connecting RE123-based oxide superconducting conductors, since the oxide superconducting layer is formed on one side of the tape base as described above, the oxide superconducting layers face each other and are connected by soldering or the like. There is a need.
As an example of a method and a connection device for connecting oxide superconducting conductors, the ends of flat oxide superconducting conductors can be overlapped with each other, a solder material can be sandwiched therebetween, pressurized from above and below, and heated. A connecting device including a pair of pressure heating plates is known (see Patent Document 1).
This connecting device has a clamping mechanism on both sides of the pressure heating plate, the ends of the oxide superconducting conductor temporarily held by the clamping mechanism are sandwiched by the pressure heating plate, the solder material is melted, solidified, and abutted It is provided as an apparatus capable of soldering the ends of a superconducting material.
酸化物超電導導体の端部同士を重ねて半田付けする構造を採用すると、接続部分で超電導導体の表裏が逆転するため実用上様々な不具合が生じる。そこで、接続するべき酸化物超電導導体の端部同士を同じ向きとして隣接配置し、隣接させた超電導導体の端部同士に向い合わせた接続用の酸化物超電導導体を橋渡しするように配置し、半田付けする構造が知られている。
酸化物超電導導体の接続部分に設ける半田材料は、通常、鉛フリータイプのスズからなることが一般的であり、スズからなる半田材料が溶融し凝固して形成された半田付け接合部を備えている。
しかし、前記半田付けを行った酸化物超電導導体を超電導コイルに適用すると、巻胴に超電導導体を巻回してコイル化するので、半田付け部分に巻回時の曲げ応力が作用することとなる。本発明者が種々試験したところ、曲げ応力を付加した酸化物超電導導体そのものでの特性劣化が生じない場合であっても、半田付け部分を伴う接続部分が存在すると超電導特性の劣化を生じることが判明した。この原因は、半田付け部分に曲げ応力が作用した場合、酸化物超電導導体自体はテープ状であり、可撓性を有するものの、硬い半田付け部分が周囲の酸化物超電導層に局所的に応力を付加することが原因になっていると推定できる。
If a structure in which the ends of the oxide superconducting conductor are overlapped and soldered is employed, the front and back of the superconducting conductor are reversed at the connecting portion, and various problems occur in practice. Therefore, the oxide superconducting conductors to be connected are arranged adjacent to each other in the same direction, and the connecting oxide superconducting conductors facing the ends of the adjacent superconducting conductors are bridged and soldered. The structure to attach is known.
The solder material provided at the connecting portion of the oxide superconducting conductor is generally made of lead-free type tin, and includes a soldered joint formed by melting and solidifying the solder material made of tin. Yes.
However, when the oxide superconducting conductor subjected to soldering is applied to a superconducting coil, the superconducting conductor is wound around a winding drum to form a coil, so that bending stress at the time of winding acts on the soldered portion. As a result of various tests conducted by the present inventor, even when there is no deterioration in the characteristics of the oxide superconducting conductor itself to which bending stress is applied, there is a possibility that the superconducting characteristics may be deteriorated if there is a connection portion with a soldered portion. found. The reason for this is that when bending stress is applied to the soldered part, the oxide superconducting conductor itself is tape-like and flexible, but the hard soldered part locally applies stress to the surrounding oxide superconducting layer. It can be presumed that this is caused by the addition.
本発明は、このような従来の実情に鑑みなされたものであり、半田などの導電性接合材による接合部分のヤング率をある程度低くすることにより、接続部分に曲げ応力が作用しても酸化物超電導層の特性劣化を生じないようにした酸化物超電導導体の接続構造の提供を目的とする。
また、本発明は、上述の接続構造を適用した超電導ケーブル、あるいは、超電導コイル、超電導限流器などの超電導機器の提供を目的とする。
The present invention has been made in view of such a conventional situation, and by reducing the Young's modulus of the joint portion by a conductive joint material such as solder to some extent, even if bending stress acts on the joint portion, the oxide An object of the present invention is to provide a connection structure for oxide superconducting conductors that does not cause deterioration of characteristics of the superconducting layer.
Another object of the present invention is to provide a superconducting cable to which the above connection structure is applied, or a superconducting device such as a superconducting coil or a superconducting fault current limiter.
前記課題を解決するため、本発明は、テープ状の基材に中間層と酸化物超電導層と金属安定化層を積層した構造の第1及び第2の超電導導体の端部同士が互いの金属安定化層同士を重ね合わせて隣接され、前記金属安定化層の重ね合わせ部分がヤング率41.4×109N/m2未満の導電性接合材により接合されたことを特徴とする。
ヤング率41.4×109N/m2未満の導電性接合材で金属安定化層どうしを接続したので、接続部分に曲げ応力が作用しても接続部分周りの酸化物超電導層に対する応力集中を低減でき、超電導特性の劣化の少ない接続構造を提供できる。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a structure in which the end portions of the first and second superconducting conductors having a structure in which an intermediate layer, an oxide superconducting layer, and a metal stabilizing layer are laminated on a tape-like base material are mutually metallic. The stabilization layers are adjacent to each other by being overlapped, and the overlapped portion of the metal stabilization layer is bonded by a conductive bonding material having a Young's modulus of less than 41.4 × 10 9 N / m 2 .
Since the metal stabilizing layers are connected to each other with a conductive bonding material having a Young's modulus of less than 41.4 × 10 9 N / m 2 , the stress concentration on the oxide superconducting layer around the connection portion even if bending stress acts on the connection portion It is possible to provide a connection structure with less deterioration of superconducting characteristics.
前記課題を解決するため、本発明は、テープ状の基材に中間層と酸化物超電導層と金属安定化層を積層した構造の第1及び第2の超電導導体の端部同士が互いの金属安定化層同士を基材に対し同じ側に揃えて隣接され、これら隣接された金属安定化層の端部同士をテープ状の基材に中間層と酸化物超電導層と金属安定化層を積層した構造の第3の超電導導体により接続した酸化物超電導導体の接続構造であり、前記隣接された第1及び第2の超電導導体の金属安定化層の端部同士に前記第3の超電導導体の金属安定化層が被着され、前記第1及び第2の超電導導体の金属安定化層と前記第3の超電導導体の金属安定化層とが導電性接合材により接合されるとともに、前記導電性接合材のヤング率が41.4×109N/m2未満とされたことを特徴とする。
第1、第2の超電導導体の金属安定化層どうしを第3の超電導導体の金属安定化層にヤング率41.4×109N/m2未満の導電性接合材で接続したので、第1、第2の超電導導体をコイル化する構造などに適用して第1、第2の超電導導体に曲げ応力が作用した場合であっても、第1、第2、第3の超電導導体の接続部分周りの酸化物超電導層に作用する応力を低減することができ、超電導特性の劣化の少ない接続構造を提供できる。第1、第2、第3の超電導導体を接合する導電性接合材のヤング率が41.4×109N/m2未満であると、曲げ応力が作用した場合に導電性接合材の全体が均等にしなる確率が高く、導電性接合材が部分的に折れ曲がって酸化物超電導層に局所的に応力付加をかけるおそれが少なくなる。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a structure in which the end portions of the first and second superconducting conductors having a structure in which an intermediate layer, an oxide superconducting layer, and a metal stabilizing layer are laminated on a tape-like base material are mutually metallic. The stabilization layers are adjacent to each other on the same side of the substrate, and the ends of these adjacent metal stabilization layers are laminated on the tape-shaped substrate with the intermediate layer, oxide superconducting layer, and metal stabilization layer. A connection structure of oxide superconducting conductors connected by a third superconducting conductor having the structure described above, wherein the ends of the metal stabilizing layers of the adjacent first and second superconducting conductors are connected to each other. A metal stabilizing layer is applied, and the metal stabilizing layer of the first and second superconducting conductors and the metal stabilizing layer of the third superconducting conductor are joined by a conductive bonding material, and the conductive this Young's modulus of the bonding material is less than 41.4 × 10 9 N / m 2 The features.
Since the metal stabilization layers of the first and second superconducting conductors are connected to the metal stabilization layer of the third superconducting conductor with a conductive bonding material having a Young's modulus of less than 41.4 × 10 9 N / m 2 , Even if a bending stress is applied to the first and second superconducting conductors applied to a structure in which the first and second superconducting conductors are coiled, the first, second and third superconducting conductors are connected. The stress acting on the oxide superconducting layer around the portion can be reduced, and a connection structure with little deterioration of superconducting characteristics can be provided. When the Young's modulus of the conductive bonding material for bonding the first, second, and third superconducting conductors is less than 41.4 × 10 9 N / m 2 , the entire conductive bonding material when bending stress acts There is a high probability that the conductive bonding material is partially bent, and the possibility of locally applying stress to the oxide superconducting layer is reduced.
本発明は、先に記載の酸化物超電導導体の接合構造が設けられた超電導機器である。
超電導ケーブル、超電導コイル、超電導限流器などの超電導機器において酸化物超電導導体同士の接続部分に上述の構造を採用することで、曲げなどの応力が作用しても接続部分において超電導特性の劣化を生じ難い超電導機器を提供できる。
The present invention is a superconducting device provided with the oxide superconducting conductor junction structure described above.
In the superconducting equipment such as superconducting cables, superconducting coils, and superconducting fault current limiters, the superconducting characteristics of the superconducting devices are deteriorated even if stress such as bending acts on the connecting part between the oxide superconducting conductors. It is possible to provide a superconducting device that is unlikely to occur.
本発明は、超電導導体の金属安定化層どうしをヤング率41.4×109N/m2未満の導電性接合材で接続したので、接続部分に曲げ応力が作用しても接続部分周りの酸化物超電導層に対する応力集中を低減でき、超電導特性の劣化の少ない接続構造を提供できる。
また、本発明は、第1、第2の超電導導体の金属安定化層どうしを第3の超電導導体の金属安定化層にヤング率41.4×109N/m2未満の導電性接合材で接続したので、第1、第2の超電導導体をコイル化する構造などに適用して第1、第2、第3の超電導導体に曲げ応力が作用した場合であっても、第1、第2、第3の超電導導体の接続部分周りの酸化物超電導層に応力集中することを低減でき、超電導特性の劣化の少ない接続構造を提供できる。
In the present invention, the metal stabilizing layers of the superconducting conductors are connected to each other by a conductive bonding material having a Young's modulus of less than 41.4 × 10 9 N / m 2 . The stress concentration on the oxide superconducting layer can be reduced, and a connection structure with little deterioration of superconducting characteristics can be provided.
The present invention also provides a conductive bonding material having a Young's modulus of less than 41.4 × 10 9 N / m 2 between the metal stabilizing layers of the first and second superconducting conductors and the metal stabilizing layer of the third superconducting conductor. Even if a bending stress is applied to the first, second, and third superconducting conductors by applying to the structure in which the first and second superconducting conductors are coiled, etc., the first and second superconducting conductors are connected. 2. It is possible to reduce stress concentration on the oxide superconducting layer around the connection portion of the third superconducting conductor, and to provide a connection structure with little deterioration of superconducting characteristics.
以下、酸化物超電導導体の接続構造の第一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下説明の実施形態に限定されるものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするため、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
図1に示すように、本実施形態の接続構造に用いる酸化物超電導導体1は、テープ状の基材2の一面(表面)上に、中間層5、酸化物超電導層6、第1の金属安定化層7を積層して積層体9が形成され、この積層体9のほぼ全周を第2の金属安定化層8で覆って構成されている。なお、第2の金属安定化層8は図1に示す実施形態では積層体9の全周を覆っている訳ではなく、積層体9のほぼ全周を覆っていて、積層体9の外周部において一部分のみ第2の金属安定化層8が被覆されていない部分が形成され、この部分は別途導電性接合材層11により覆われている。この実施形態において第2の金属安定化層8は基材12の裏面側中央部を除いて積層体9の全周を覆うように設けられていて、導電性接合材層11は基材2の裏面幅方向中央部において第2の金属安定化層8の端縁部間を埋めるようにこれら端縁部間に被着されている。なお、図2では略しているが第2の安定化層8の内周面側のほぼ全面にも半田等の導電性接合材層が形成されている。第2の安定化層8は積層体9のほぼ全周面に対し導電性接合材層を介し密着されていることが好ましい。
Hereinafter, a first embodiment of a connection structure of oxide superconducting conductors will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the drawings used in the following description may show the main parts in an enlarged manner for convenience in order to make the features of the present invention easier to understand, and the dimensional ratios of the respective components are the same as the actual ones. Not always.
As shown in FIG. 1, the oxide
本実施形態の酸化物超電導導体の接続構造は、図1に示す構造の酸化物超電導導体1を2本接続する場合に適用される。
図2は接続構造の第1実施形態を示すもので、2本の酸化物超電導導体1が互いの端部間に隙間dをあけて隣接され、第1の金属安定化層7を形成した側を基材2に対し同じ側に揃えて直線状に配置され、酸化物超電導導体1、1の隣接する端部間に橋渡し状に跨るように被着された第3の酸化物超電導導体13が設けられている。本実施形態では便宜的に接続するべき酸化物超電導導体1、1のうち、一方(図2の左側)を第1の酸化物超電導導体1と呼称し、他方(図2の右側)を第2の酸化物超電導体1と呼称する。
第3の酸化物超電導導体13は、先の第1、第2の酸化物超電導導体1と同等構造であるが短尺のテープ状の酸化物超電導導体である。即ち、基材2の上に中間層5、酸化物超電導層6、第1の金属安定化層7を積層して積層体9が形成され、この積層体9のほぼ全周を第2の金属安定化層8Aで覆って構成されているが、短尺、例えば、数cm〜数10cm程度、具体的には接続対象にもよるが1cm〜20cm程度の長さの酸化物超電導導体からなる。
The connection structure of the oxide superconducting conductor of this embodiment is applied when two
FIG. 2 shows a first embodiment of a connection structure, in which two
The third
第3の酸化物超電導導体13はその内部側に設けられている第1の金属安定化層7を前記第1、第2の酸化物超電導導体1、1の第1の安定化層7側に向け、第2の金属安定化層8Aを前記第1、第2の酸化物超電導導体1、1の第2の安定化層8に沿わせてそれらの間に介在された半田等の導電性接合材15により第1、第2の酸化物超電導導体1、1に接続されている。
The third
前記第1〜第3の酸化物超電導導体1、1、13において、基材2は、通常の酸化物超電導導体用の基板として使用し得るものであれば良く、可撓性を有するテープ状であることが好ましく、耐熱性の金属からなるものが好ましい。耐熱性の金属の中でも、ニッケル(Ni)合金が好ましい。中でも、市販品であればハステロイ(商品名、ヘインズ社製)が好適であり、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)等の成分量が異なる、ハステロイB、C、G、N、W等のいずれの種類も使用できる。また、基材2としてニッケル合金などに集合組織を導入した配向金属基板を用い、その上に中間層5および酸化物超電導層6を形成してもよい。
基材2の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、10〜500μmであることが好ましく、20〜200μmであることがより好ましい。
In the first to third
What is necessary is just to adjust the thickness of the
前記中間層5は、その上に形成する酸化物超電導層6との物理的特性(熱膨張率や格子定数等)の差を緩和するバッファー層として機能し、物理的特性が基材2と酸化物超電導層6との中間的な値を示す金属酸化物が好ましい。中間層5として具体的には、Gd2Zr2O7、MgO、ZrO2−Y2O3(YSZ)、SrTiO3、CeO2、Y2O3、Al2O3、Gd2O3、Zr2O3、Ho2O3、Nd2O3等の金属酸化物を例示でき、これらをIBAD法(イオンビームアシスト蒸着法)で形成して結晶配向性を整えたものが好ましい。
中間層5は、単層でも良いし、複数層でも良く、複数層である場合は、最外層(最も酸化物超電導層6に近い層)が少なくとも良好な結晶配向性を有していることが好ましい。このため、IBAD法で結晶配向性の良好な第一の配向層を形成後、スパッタ法などの成膜法によりこの第一の配向層の上にエピタキシャル成長可能な第二の配向層を積層した複層構造とすることもできる。複層構造の場合、第一の配向層と第二の配向層は同じ材料からなる層であっても良いし、異なる材料からなる層であっても良い。
中間層5は、基板2側にベッド層が介在された複数層構造でもよい。ベッド層は、必要に応じて配され、イットリア(Y2O3)、窒化ケイ素(Si3N4)、酸化アルミニウム(Al2O3、「アルミナ」とも呼ぶ)等から構成される。ベッド層の厚さは例えば10〜200nmである。
The
The
The
さらに、本発明において、中間層5は、基材2側に拡散防止層とベッド層が積層された複数層構造でもよい。この場合、基材2とベッド層との間に拡散防止層が介在された構造となる。拡散防止層は、窒化ケイ素(Si3N4)、酸化アルミニウム(Al2O3)、あるいは希土類金属酸化物等から、単層あるいは複層構造とされ、その厚さは例えば10〜400nmである。
中間層5は、前記IBAD法による金属酸化物層の上に、さらにキャップ層が積層された複層構造でも良い。キャップ層は、酸化物超電導層6の配向性を制御し、単結晶のように良好な結晶配向性とする機能を有する。キャップ層は、特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、CeO2、Y2O3、Al2O3、Gd2O3、ZrO2、Ho2O3、Nd2O3、LaMnO3等を例示できる。キャップ層の材質がCeO2である場合、キャップ層は、Ceの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたCe−M−O系酸化物を含んでいても良い。
Further, in the present invention, the
The
前記酸化物超電導層6は通常知られている組成の酸化物超電導体からなるものを広く適用することができ、REBa2Cu3Oy(REはY、La、Nd、Sm、Er、Gd等の希土類元素を表す)なる材質のもの、具体的には、Y123(YBa2Cu3Oy)又はGd123(GdBa2Cu3Oy)を例示できる。また、その他の酸化物超電導体、例えば、Bi2Sr2Can−1CunO4+2n+δなる組成等に代表される臨界温度の高い他の酸化物超電導体からなるものを用いても良いのは勿論である。酸化物超電導層6の厚みは、0.5〜5μm程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
The
前記第1の金属安定化層7は、AgあるいはAg合金などの良電導性かつ酸化物超電導層6と接触抵抗が低くなじみの良い金属材料からなる。
第1の金属安定化層7をAgから構成する理由としては、酸化物超電導層6に酸素をドープするアニール工程において、ドープした酸素を酸化物超電導層6から逃避し難くする性質を有する点を挙げることができる。Agからなる第1の金属安定化層7を成膜するには、スパッタ法などの成膜法を採用し、その厚さは1〜30μm程度とされる。
The first
The reason why the first
前記第2の金属安定化層8、8Aは、一例として良導電性の金属材料からなり、酸化物超電導層6が超電導状態から常電導状態に遷移しようとした時に、第1の安定化層7とともに、酸化物超電導層6の電流が転流するバイパスとして機能する。
第2の金属安定化層8、8Aを構成する金属材料としては、良導電性を有するものであればよく、特に限定されないが、銅、黄銅(Cu−Zn合金)、Cu−Ni合金等の銅合金、ステンレス等の比較的安価な材質からなるものを用いることが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることから銅が好ましい。なお、酸化物超電導導体1を超電導限流器に使用する場合、第2の金属安定化層8、8Aは抵抗金属材料より構成され、Ni−Cr等のNi系合金などを使用できる。
The second
The metal material constituting the second
前記導電性接合材15は、ヤング率として41.4GPa(41.4×109N/m2)未満の半田から形成されている。一例として、ヤング率10.8GPa(10.8×109N/m2)のインジウム半田が用いられる。
この他に41.4GPa(41.4×109N/m2)未満のヤング率の導電性接合材として、Sn−Pb半田(ヤング率:22GPa)、Sn−Ag−Cu半田(ヤング率:31GPa)、Sn−Ag−Cu半田(ヤング率:36GPa)、Sn−Bi−Ag半田(ヤング率:24GPa)、共晶半田(Pb37Sn63:ヤング率19.27GPa)などを用いることができる。
The
In addition, Sn—Pb solder (Young's modulus: 22 GPa), Sn—Ag—Cu solder (Young's modulus: Young's modulus) as a conductive bonding material having a Young's modulus of less than 41.4 GPa (41.4 × 10 9 N / m 2 ). 31 GPa), Sn-Ag-Cu solder (Young's modulus: 36 GPa), Sn-Bi-Ag solder (Young's modulus: 24 GPa), eutectic solder (Pb37Sn63: Young's modulus 19.27 GPa), or the like can be used.
図1に示す構造の酸化物超電導導体1、13を製造するには、基材2上に前述した種々の成膜法により中間層5と酸化物超電導層6と第1の金属安定化層7を積層したテープ状の積層体9を作製し、この積層体9に沿うように必要幅の金属テープを配置し、加圧加熱ロールを用いたロールフォーミングなどにより金属テープを折り曲げ加工して第2の金属安定化層8あるいは第2の金属安定化層8Aを形成し超電導導体1、13とすることができる。
なお、積層体9に第2の安定化層8、8Aを被覆する場合、金属テープの裏面側にめっきにより半田予備層を形成したものを用いることが好ましい。これらの半田予備層は半田めっきなどにより2μm〜6μm程度の厚さとしたものを用いることができる。
半田予備層を構成する半田材料として、例えば、Sn、Sn−Ag系合金、Sn−Bi系合金、Sn−Cu系合金、Sn−Zn系合金などのSnを主成分とする合金よりなる鉛フリー半田、Pb−Sn系合金半田、共晶半田、低温半田などが挙げられ、これらの半田を1種、又は2種以上組み合わせて使用することもできる。また、半田予備層において、前述の導電性接合材15を形成するために用いた材料を適用しても良い。なお、第2の金属安定化層8、8Aの裏面側に塗布する半田予備層は、上述の導電性接合材15よりも薄く形成するので、これらの半田予備層が酸化物超電導導体1の撓曲時に与える影響は少ないので、通常の半田材料を用いることができるが、ヤング率として41.4GPa(41.4×109N/m2)未満の上述の半田を用いても良い。
In order to manufacture the
In addition, when covering the
As a solder material constituting the solder preliminary layer, for example, lead-free made of an alloy containing Sn as a main component such as Sn, Sn—Ag alloy, Sn—Bi alloy, Sn—Cu alloy, Sn—Zn alloy, etc. Examples thereof include solder, Pb—Sn alloy solder, eutectic solder, low temperature solder, and the like, and these solders can be used alone or in combination. In the solder preliminary layer, the material used for forming the
以上のように得られた図2に示す接続構造では、第1、第2の超電導導体1の金属安定化層8どうしを第3の超電導導体13の金属安定化層8Aにヤング率41.4×109N/m2未満の導電性接合材15で接続したので、第1、第2の超電導導体1、1を巻胴に巻き掛けるなどの構造に適用して第1、第2の超電導導体1に曲げ応力が作用した場合であっても、第1、第2、第3の超電導導体1、1、13の接続部分周りの酸化物超電導層6に作用する応力を低減することができ、超電導特性の劣化の少ない接続構造を提供できる。第1、第2、第3の超電導導体1、1、13を接合する導電性接合材15のヤング率が41.4×109N/m2未満であると、曲げ応力が作用した場合に導電性接合材15の全体が均等に撓曲する確率が高く、導電性接合材15が部分的に折れ曲がるなどにより酸化物超電導層6に局所的に応力付加をかけるおそれが少なくなる。これに対し仮に、ヤング率41.4×109N/m2を超える導電性接合材であると、接続部分の硬度が高いので、酸化物超電導導体1、1の湾曲に応じて硬い接続部分が上方に折れ曲がり、折れ曲がった接続部分が上方の酸化物超電導層6に部分的に応力付加をかけるので、部分的に曲げ応力を受けた位置の酸化物超電導層6が大きな応力を受ける結果、超電導特性が大幅に劣化するおそれがある。これに対しヤング率が41.4×109N/m2未満の導電性接合材15であるならば、適度に柔らかいので曲げ応力の集中を緩和できる結果、超電導特性の劣化を生じ難い。なお、導電性接合材15のヤング率について、11GPa以下であることがより好ましい。
In the connection structure shown in FIG. 2 obtained as described above, the Young's modulus of 41.4 is applied to the
なお、第1、第2の酸化物超電導導体1、1間には隙間dがあけられているので、巻胴などに巻回する場合に第1、第2の酸化物超電導導体1、1の端部間の干渉を防止できる。また、この隙間dは酸化物超電導導体1を曲げる場合に必要とする曲げ半径に合わせて数mm〜数10cmの範囲で任意の幅に設定できる。
また、導電性接合材15の構成材料として仮にSnを用いるならば、接続の際、加熱温度をSnの融点以上に上げなければならないため、積層体9に第2の金属安定化層8を被覆する場合に用いている半田予備層のSnが融点に達し、その結果、溶融したSnが第1の金属安定化層7を構成するAgの一部を吸収してしまい、第1の金属安定化層7の機能を損なうおそれがある。これに対し、導電性接合材15がインジウム半田からなるならば、接続のための加熱温度をインジウムの融点(約156℃)以上、Snの融点(約232℃)以下にすることができるので、第1の金属安定化層7の表面のAgを融かすことなく接続できる効果がある。
Since a gap d is provided between the first and second
Further, if Sn is used as the constituent material of the
図2に示す酸化物超電導導体の接続構造は、例えば、図3に例示する高温超電導ケーブル16に適用することができる。図3に示す高温超電導ケーブル16は、中心部に設けたフォーマ17の外周に酸化物超電導導体1を巻線状に複数層配置して超電導層18を形成し、その外周に絶縁層19と超電導シールド層20と保護層21を形成してコアケーブル22を構成し、このコアケーブル22を断熱管23の内部に冷媒流通用の間隙をあけて収容してなる。断熱管23は例えば内管23aと外管23bからなる2重管構造とされ、内管23aと外管23bとの間に真空断熱層23cが形成されている。超電導シールド層20は酸化物超電導導体1を複数層巻線状に配置して構成されている。
このような高温超電導ケーブル16は長尺のケーブルとして作製されるので、超電導層18を形成する酸化物超電導導体1、あるいは、超電導シールド層20を構成する酸化物超電導導体1を他の超電導ケーブルに接続する構成が必要となるので、図2に示す酸化物超電導導体1を他の酸化物超電導導体に接続する構造が適用される。
The oxide superconducting conductor connection structure shown in FIG. 2 can be applied to, for example, the high-
Since such a high
図2に示す酸化物超電導導体の接続構造は、例えば、図4に示す超電導限流器99に適用することができる。
図4に示す超電導限流器99において、図2に示す接続構造を備えた酸化物超電導線材1は、巻胴に複数層に渡って巻回され超電導限流器用モジュール90を構成し、当該超電導限流器用モジュール90として液体窒素98が充填された液体窒素容器95に格納されている。さらに液体窒素容器95は、外部との熱を遮断する真空容器96の内部に格納されている。
液体窒素容器95は、上部に、液体窒素充填部91と冷凍機93を有し、冷凍機93の下方には、熱アンカー92と熱板97が設けられている。
また、超電導限流器99は、超電導限流器用モジュール90に外部電源(図示略)を接続するための電流リード部94を有する。
以上のような、超電導限流器99の超電導限流器用モジュール90として使用する場合において、酸化物超電導線材1は、図1を基に説明したように第2の安定化層14にNi−Cr等の高抵抗金属を用いたものを使用する。
The connection structure of the oxide superconducting conductor shown in FIG. 2 can be applied to, for example, the superconducting fault
In the superconducting
The
The superconducting
When used as the superconducting fault
図2に示す酸化物超電導導体の接続構造は、例えば、図5に示す構造の超電導モーター(超電導機器)30に適用される。図5に示す超電導モーター30は、円筒状の密閉型の横長の容器31の内部に、回転自在に軸支された軸型の回転子32を備え、ヘリウムガス等の冷却ガスを容器30の内部に供給できるように構成されている。
回転軸33の中央部周囲側に、軸周りに複数の超電導コイル35が取り付けられ、これら複数の超電導コイル35の周囲側に容器31の内壁側に支持された銅コイルからなる複数の常電導コイル36が配置されている。
回転軸33の内部には冷却ガスを流入させるか流出させるための複数の配管が設けられ、外部に別途設けられている図示略の冷媒供給装置から容器31の内部に冷却ガスを導入し、冷却ガスにより超電導コイル35を臨界温度以下に冷却できるように構成されている。なお、超電導コイル35は臨界温度以下に冷却されるが、常電導コイル36は常温部として構成される。この形態の超電導モータ30においては複数の超電導コイル35が設けられ、これらが相互に電気的に接続される必要があるので、各超電導コイル35を構成する複数の酸化物超電導導体1、1を図2に示す接続構造により接続することができる。
図5に示すように回転軸33の周囲に配置された超電導コイル35を積層型に構成し、この超電導コイル35を構成するための超電導導体の接続構造として図2に示す接続構造を採用することができる。
2 is applied to, for example, a superconducting motor (superconducting device) 30 having the structure shown in FIG. A
A plurality of
A plurality of pipes for inflow or outflow of cooling gas are provided inside the
As shown in FIG. 5, the
図5に示す超電導モーター30は、容器31の内部に冷却ガスを導入し、この冷却ガスにより超電導コイル35を臨界温度以下に冷却して使用する。常電導コイル36には別途図示略の電源から必要な電流を供給し、超電導コイル35にも別途図示略の電源から必要な電流を供給することで、両者のコイルが生成する磁場に起因した回転力により回転軸33を回転させて超電導モーターとして使用することができる。
The
図2に示す酸化物超電導導体の接続構造は、例えば、図6に示す構造の積層型の超電導マグネット40に適用することができる。この形態の超電導マグネット40は、図6の例ではパンケーキコイル41を8段積みとした構成であり、個々のパンケーキコイル41は酸化物超電導導体1をパンケーキコイル型に巻回して構成されている。
このように積層型の超電導マグネット40の複数のパンケーキコイル41を接続するために、図2に示す酸化物超電導導体の接続構造を適用することができる。
例えば、複数のパンケーキコイル41を接続する場合、上下に配置されたパンケーキコイル41、41の内側の酸化物超電導導体1、1の巻き初め端どうしを橋渡しするように第3の酸化物超電導導体を配置し、図2に示す構造を採用することができる。また、上下に配置されたパンケーキコイル41、41の外側の酸化物超電導導体1、1の巻き終わり側の終端どうしを橋渡しするように第3の酸化物超電導導体を配置し、図2に示す構造を採用することができる。
The connection structure of the oxide superconducting conductor shown in FIG. 2 can be applied to, for example, a
Thus, in order to connect the plurality of pancake coils 41 of the
For example, when a plurality of pancake coils 41 are connected, the third oxide superconductivity is formed so as to bridge the winding start ends of the
図7は接続構造の第2実施形態を示すもので、第1と第2の酸化物超電導導体1が互いの端部を所定長さ重ね合わせて導電性接合材15により接合されている。
第2実施形態の構造では、第1、第2の酸化物超電導導体1が接合部において表裏逆転するので、この形態の構造は接続部において表裏が逆転しても支障がない場合に適用できる。
FIG. 7 shows a second embodiment of the connection structure, in which the first and second
In the structure of the second embodiment, since the first and second
第2実施形態の構造においてもヤング率41.4×109N/m2未満の導電性接合材15で接続したので、超電導導体1、1を巻胴に巻き掛けるなどの構造に適用して第1、第2の超電導導体1に曲げ応力が作用した場合であっても、第1、第2の超電導導体1、1の接続部分周りの酸化物超電導層6に作用する応力を低減することができ、超電導特性の劣化の少ない接続構造を提供できる。
また、第2実施形態の構造を先に説明した、図3に示す超電導ケーブル16、図4に示す超電導限流器用モジュール25、超電導モーター30、超電導マグネット40、パンケーキコイル41などに適用できるのは勿論である。
Also in the structure of the second embodiment, since it is connected by the
Further, the structure of the second embodiment can be applied to the
幅10mm、厚さ100μm、長さ1mのテープ状のハステロイC276(米国ヘインズ社製商品名)製の基材上に、スパッタ法によりAl2O3(拡散防止層;膜厚150nm)を成膜した上に、イオンビームスパッタ法によりY2O3(ベッド層;膜厚20nm)を成膜した。次いで、このベッド層上に、イオンビームアシストスパッタ法(IBAD法)によりMgO(中間層;膜厚10nm)を形成した上に、パルスレーザー蒸着法(PLD法)により300nm厚のCeO2(キャップ層)を成膜した。次いでCeO2層上にPLD法により300nm厚のYBa2Cu3O7(酸化物超電導層)を形成し、さらに酸化物超電導層上にスパッタ法により8μm厚のAgの第1の金属安定化層を形成し、テープ状の超電導積層体を作製した。
Al 2 O 3 (diffusion prevention layer; film thickness 150 nm) is formed by sputtering on a tape-shaped Hastelloy C276 (trade name, manufactured by Haynes, USA) having a width of 10 mm, a thickness of 100 μm, and a length of 1 m. In addition, Y 2 O 3 (bed layer;
次に、裏面に2μm厚みのSnめっきを施したCuテープからなる安定化材(厚さ20μm、幅18mm)を用意し、酸化物超電導積層体の片面に縦添えし、260℃に加熱したロールによる成形により安定化材の幅方向両端部で酸化物超電導導体の両端部を包み込むようにC字状に成形した。以上の工程により図1に断面構造を示す酸化物超電導導体を得た。この酸化物超電導導体を接続試験のために複数用意した。
また、上述の工程により長さ4.5cmの酸化物超電導導体を得、これを接続用の第3の酸化物超電導導体とした。この第3の酸化物超電導導体に対し第1の金属安定化層上に位置する第2の金属安定化層の表面に、厚さ40μmのインジウム半田層を形成した。
Next, a roll prepared by preparing a stabilizing material (
In addition, an oxide superconducting conductor having a length of 4.5 cm was obtained by the above-described process, and this was used as a third oxide superconducting conductor for connection. An indium solder layer having a thickness of 40 μm was formed on the surface of the second metal stabilizing layer located on the first metal stabilizing layer with respect to the third oxide superconducting conductor.
2本の酸化物超電導導体をそれらの間に5mmの隙間をあけて上側に第1の金属安定化層が位置するように一列に並べ、先に用意した長さ4.5cmの第3の超電導導体の第1の金属安定化層を下側に向けて2本の超電導導体の両方の端部に双方2cmずつ被さるように配置した。即ち、第1、第2の酸化物超電導導体の第2の金属安定化層上に第3の酸化物超電導導体の第2の金属安定化層が被さるように配置した。
次いで、第3の酸化物超電導導体の上に半田ごてを押し当てて加圧しながらインジウム半田を溶融した後、室温まで冷却して第1、第2金属安定化層に対し第3の金属安定化層を半田付けした図2に示す超電導導体の接続構造を得ることができた。
Two oxide superconducting conductors are arranged in a line so that the first metal stabilizing layer is located on the upper side with a gap of 5 mm between them, and the third superconducting length of 4.5 cm prepared previously The first metal stabilizing layer of the conductor was disposed so as to cover both ends of each of the two superconducting conductors by 2 cm facing downward. That is, the second metal stabilization layer of the third oxide superconductor is disposed on the second metal stabilization layer of the first and second oxide superconductors.
Next, the indium solder is melted while pressing and pressing the soldering iron on the third oxide superconducting conductor, and then cooled to room temperature to stabilize the third metal against the first and second metal stabilizing layers. The connection structure of the superconducting conductor shown in FIG.
インジウム半田を用いた図2に示す構造で接続した直線状の酸化物超電導導体を複数用意し、これらの酸化物超電導導体を液体窒素中で通電試験し、臨界電流(Ic0)を求めた。
次に、半径100mm、80mm、70mm、50mm、40mm、30mm、25mmのそれぞれの巻胴を用意し、これらの巻胴に先の工程にて作製した接続構造を有する酸化物超電導導体を巻き掛け、接続構造部分に曲げ応力を付加する試験を行った。各巻胴に酸化物超電導導体を巻き付ける際、第1、第2の酸化物超電導導体が内側に、第3の酸化物超電導導体が外側に位置するように巻胴周面に巻き付けた。
巻胴周面に巻き付けた状態のままの試料全体を液体窒素に浸漬し、接続した第1、第2酸化物超電導導体の端部に電源を接続して通電試験を行い、各試料の臨界電流(Ic)を測定し、巻き付ける試験の前に直線状態で測定した酸化物超電導導体のオリジナルの臨界温度(Ic0)との比較を行った。
A plurality of linear oxide superconducting conductors connected with the structure shown in FIG. 2 using indium solder were prepared, and these oxide superconducting conductors were subjected to a current test in liquid nitrogen to obtain a critical current (Ic 0 ).
Next, each winding drum having a radius of 100 mm, 80 mm, 70 mm, 50 mm, 40 mm, 30 mm, and 25 mm is prepared, and the oxide superconducting conductor having the connection structure prepared in the previous step is wound around these winding drums, A test for applying bending stress to the connection structure was performed. When the oxide superconducting conductor was wound around each winding drum, it was wound around the winding drum peripheral surface so that the first and second oxide superconducting conductors were located inside and the third oxide superconducting conductor was located outside.
The whole sample as it is wound on the circumferential surface of the winding drum is immersed in liquid nitrogen, a power source is connected to the ends of the connected first and second oxide superconductors, and the critical current of each sample is measured. (Ic) was measured and compared with the original critical temperature (Ic 0 ) of the oxide superconducting conductor measured in a linear state before the winding test.
図8に巻胴の半径(曲げ半径)と(Ic/Ic0)値との関係を示す。
図8に示す試験結果から、スズ半田を用いた接続部を有する酸化物超電導導体は、曲げ半径100mm、80mmでは劣化を生じないものの、曲げ半径を70mmとした場合に臨界電流値がほぼ0になるという結果を示した。これは、スズ半田のヤング率(49.9GPa)が高いため、70mmの曲げ半径とした場合、酸化物超電導導体の半田付け部分に曲げ応力が集中し、応力集中により酸化物超電導層が損傷したことが原因であると思われる。
これらに対し、インジウム半田を用いた接続部を有する酸化物超電導導体は、曲げ半径50mm、40mm、30mmまで臨界電流値の劣化がほとんど見られず、良好な超電導特性を維持した。この試料では曲げ半径25mmになって初めて臨界電流値の劣化を生じた。
この試験結果から、ヤング率の低いインジウム半田を用いることで半田接続部を有する酸化物超電導導体の曲げ耐久性が向上し、スズ半田を用いた接続構造に対し曲げ半径を小さくしても超電導特性が劣化しないことを確認できた。
FIG. 8 shows the relationship between the radius (bending radius) of the winding drum and the (Ic / Ic 0 ) value.
From the test results shown in FIG. 8, the oxide superconducting conductor having a connecting portion using tin solder does not deteriorate when the bending radius is 100 mm or 80 mm, but the critical current value becomes almost zero when the bending radius is 70 mm. I showed the result. This is because the Young's modulus (49.9 GPa) of tin solder is high, and when the bending radius is 70 mm, bending stress concentrates on the soldered portion of the oxide superconducting conductor, and the oxide superconducting layer is damaged by the stress concentration. Seems to be the cause.
On the other hand, the oxide superconducting conductor having a connecting portion using indium solder hardly deteriorated in the critical current value up to a bending radius of 50 mm, 40 mm, and 30 mm, and maintained good superconducting characteristics. In this sample, the critical current value deteriorated only when the bending radius was 25 mm.
From this test result, the use of indium solder with a low Young's modulus improves the bending durability of oxide superconducting conductors with solder joints, and superconducting properties even if the bending radius is reduced compared to the connection structure using tin solder. Was confirmed not to deteriorate.
本発明は、例えば超電導ケーブル、あるいは、超電導マグネット、超電導モーター、超電導限流器用モジュールなど、各種超電導機器に用いられる酸化物超電導導体の接続に利用することができる。 The present invention can be used to connect oxide superconducting conductors used in various superconducting devices such as superconducting cables, superconducting magnets, superconducting motors, and superconducting fault current limiter modules.
1…酸化物超電導導体、2…基材、5…中間層、6…酸化物超電導層、7…第1の金属安定化層、8、8A…第2の金属安定化層、9…超電導積層体、13…第3の酸化物超電導導体、15…導電性接合材、16…超電導ケーブル、18…超電導層、20…超電導シールド層、30…超電導モーター、35…超電導コイル、40…超電導マグネット、41…パンケーキコイル、90…超電導限流器用モジュール、99…超電導限流器。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記隣接された第1及び第2の超電導導体の金属安定化層の端部同士に前記第3の超電導導体の金属安定化層が被着され、前記第1及び第2の超電導導体の金属安定化層と前記第3の超電導導体の金属安定化層とが導電性接合材により接合されるとともに、前記導電性接合材のヤング率が41.4×109N/m2未満とされたことを特徴とする酸化物超電導導体の接続構造。 The ends of the first and second superconducting conductors having a structure in which an intermediate layer, an oxide superconducting layer, and a metal stabilizing layer are laminated on a tape-shaped substrate are mutually on the same side with respect to the substrate. The ends of the adjacent metal stabilizing layers are connected to each other by a third superconducting conductor having a structure in which an intermediate layer, an oxide superconducting layer, and a metal stabilizing layer are laminated on a tape-like base material. It is a connection structure of an oxide superconductor,
The metal stabilization layer of the third superconducting conductor is deposited between the ends of the metal stabilization layers of the adjacent first and second superconducting conductors, and the metal stabilization of the first and second superconducting conductors. And a metal stabilizing layer of the third superconducting conductor are bonded by a conductive bonding material, and the Young's modulus of the conductive bonding material is less than 41.4 × 10 9 N / m 2. An oxide superconducting conductor connection structure.
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